CN105977636A - 应用于wlan/wimax的三频共面波导馈电天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种应用于WLAN/WIMAX的三频共面波导馈电天线，涉及天线领域，本发明为一种结构简单的应用于WLAN/WIMAX的三频共面波导馈电单极子天线，本发明设计的三频共面波导馈电单极子天线，圆环天线单元具有嵌套结构，尺寸较小，可以极大地减小占用空间，馈电结构采用共面波导馈电结构，辐射单元为单极子辐射贴片，该结构所有金属贴片都处于同一侧，易于集成，制作简单，介质基板采用介电常数为4.4的FR4材料，价格低廉，易于购买，本发明制作成本低，易于集成加工，可批量生产，具有较大的实际应用价值。

Description

应用于WLAN/WIMAX的三频共面波导馈电天线
技术领域
本发明涉及天线领域，尤其是一种单极子天线。
背景技术
随着无线通信技术的迅速发展，人们的生活工作已经越来越离不开无线局域网WLAN。WLAN(2.4～2.4835GHz/5.15～5.825GHz)是利用无线通信技术传输数据，这些数据已经不再局限于语音文字信息，在如今，视频数据传输占有越来越大的比例，它把人们从办公桌解放出来，使用户可以随时随地的交换信息。全球微波互联接入技术(WIMAX)是一种新兴的宽带无线接入技术，数据传输距离最远可达50Km。WIAMX(3.4～3.7GHz)还具有QoS保障、传输速率高、业务丰富多样等优点。
国内外学者对WLAN/WIMAX做出了很多研究，例如：李伟等人设计了应用于无线局域网的双频微带贴片天线，采用在贴片开槽和地板开槽实现双频特性，在2.33-2.52GHz,4.94GHz-6.10GHz的双频段范围内回波损耗均小于-10dB；Harshvardhan Tiwari和M.V.Kartikeyan等人提出一种采用叠层结构的天线，将两个可有U型槽的贴片堆叠在一起实现双频宽带操作。但是以上的天线都具有结构复杂的缺点，不利于当前器件简单化、易集成的需求，另外，以上天线只实现了双频特性，并没有实现WIMAX频段的辐射特性。如何设计出结构简单的应用于WLAN/WIMAX三频共面波导馈电单极子天线就成了我们研究的方向。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种结构简单的应用于WLAN/WIMAX的三频共面波导馈电单极子天线，具有以下特性：重量轻、高增益、低剖面、方向图全向、易于集成加工。
本发明所设计的三频共面波导馈电单极子天线由三部分组成：圆环天线单元1，共面波导馈电单元2和介质基板3。
所述的圆环天线单元1由一个外半径为R1内半径为R2的金属外圆环贴片1a，一个外半径为R3内半径为R4的金属内圆环贴片1b，一个半径为R5的金属圆盘1c及宽度为Wg的矩形结构1d组合而成，内圆环贴片1b和圆盘1c的中心重合于直角坐标系原点，外圆环的中心相对坐标原点沿着Y轴正方向偏移1.90mm～2.10mm。
共面波导馈电单元2为长度为Lg的无地板共面波导馈电结构，Lg的取值范围为15.00mm～17.00mm，50欧姆端口馈电传输线与圆环天线单元1中矩形结构1d的宽度Wg一样，与同平面的两侧地板间距离为S，S的取值范围为0.25mm～0.35mm，共面波导馈电单元2和圆环天线单元1中外圆环贴片1a在直角坐标系Y轴方向的最短距离为g，g的取值范围为1.40mm～1.60mm。
圆环天线单元1和共面波导馈电单元2印刷在矩形介质基板3同一侧上，矩形介质基板3采用相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02，厚度为h的聚四氟乙烯材料，h的取值范围为1.50mm～1.70mm，介质基板3的尺寸为L*W，L的取值范围为36mm～40mm，W的取值范围为22mm～24mm。
本发明的有益效果是由于本发明设计的三频共面波导馈电单极子天线，圆环天线单元具有嵌套结构，尺寸较小，可以极大地减小占用空间，馈电结构采用共面波导馈电结构，辐射单元为单极子辐射贴片，该结构优点是所有金属贴片都处于同一侧，易于集成，制作简单，此介质基板采用介电常数为4.4的FR4材料，价格低廉，易于购买。所以，本专利制作成本低，易于集成加工，可批量生产，具有较大的实际应用价值。
附图说明
图1是本发明的结构示意图，图1(a)是天线的俯视图，图1(b)是天线的侧视图。
图2为本发明天线的仿真S参数。
图3为天线的三个谐振频点的辐射方向图特性，图3(a)为2.5GHz时XOZ及YOZ方向辐射方向图；图3(b)为3.4GHz时XOZ及YOZ方向辐射方向图；图3(c)为5.6GHz时XOZ及YOZ方向辐射方向图。
其中，1a-圆环天线单元1的金属外圆环贴片部分，1b-圆环天线单元1的金属内圆环贴片部分，1c-圆环天线单元的金属圆盘辐射贴片，1d-圆环天线单元1与共面波导馈电单元2传输线阻抗匹配部分，2a-共面波导馈电单元2的地板部分，2b-共面波导馈电单元2的传输线部分，3-聚四氟乙烯介质基板，R1-圆环天线单元1中金属外环贴片的外半径，R2-圆环天线单元1中金属外环贴片的内半径，R3-圆环天线单元1中金属内环贴片的外半径，R4-圆环天线单元1中金属内环贴片的内半径，R5-天线单元1中金属圆盘半径，g-圆环天线单元外环半径沿Y轴负半轴到共面波导馈电单元的距离，S-共面波导馈电单元传输线与地板之间的距离，Lg-共面波导馈电单元地板长度，Wg-共面波导馈电单元传输线宽度，L-聚四氟乙烯介质基板长度，W-聚四氟乙烯介质基板宽度，h-聚四氟乙烯介质基板高度，X,Y,Z-坐标轴。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明所设计的三频共面波导馈电单极子天线由三部分组成：圆环天线单元1，共面波导馈电单元2和介质基板3，如图1所示，其中图1(a)是天线的俯视图，图1(b)是天线的侧视图。具体的尺寸参数如表1所示。
表1.结构参数如下表(单位：mm)
变量 数值 变量 数值
L 38.00±2.00 g 1.50±0.10
W 23.00±1.00 R1 9.40±0.15
h 1.60±0.05 R2 8.00±0.12
Wg 1.90±0.10 R3 5.00±0.10
Lg 16.00±1.05 R4 4.10±0.10
S 0.30±0.05 R5 2.20±0.10
表1中的字母代表图中的几何尺寸参数，在图1中有标示。
L代表此单极子天线介质基板的长度，W代表介质基板的宽度，h代表介质基板高度，Wg代表共面波导馈电单元传输线宽度，Lg代表共面波导馈电单元地板长度，S代表共面波导馈电单元传输线与地板之间的距离，g代表圆环天线单元外环半径沿Y轴负半轴到共面波导馈电单元的距离，R1代表圆环天线单元1中金属外环贴片的外半径，R2代表圆环天线单元1中金属外环贴片的内半径，R3代表圆环天线单元1中金属内环贴片的外半径，R4代表圆环天线单元1中金属内环贴片的内半径，R5代表天线单元1中金属圆盘半径。
具体的实施方法为：所述的圆环天线单元1由一个外半径为R1内半径为R2的金属外圆环贴片1a，一个外半径为R3内半径为R4的金属内圆环贴片1b，一个半径为R5的金属圆盘1c及宽度为Wg的矩形结构1d组合而成，内圆环贴片1b和圆盘1c的中心重合于直角坐标系原点，即圆环天线单元1由两个金属圆环贴片1a和1b，金属圆盘贴片1c及与共面波导馈电单元连接的阻抗匹配矩形贴片1d组成。1a是圆环天线单元1的外环辐射部分，1b是圆环天线单元1的内环辐射部分，1a嵌套在1b的外部，外圆环的中心相对内圆环中心向Y轴正方向偏移量为1.90mm～2.10mm，且两环宽度不同。1c是圆环天线单元1的半径为R5的圆形辐射贴片，R5的取值范围为2.1mm～2.3mm。矩形贴片1d连接共面波导单元部分的传输线，一方面起到阻抗匹配的作用，另一方面将两个圆环1a和1b与金属圆盘1c贴片结合在一起，电流通过矩形贴片流入圆环及圆盘内，产生电磁场，组成天线辐射部分。
共面波导馈电单元2为长度为Lg的无地板共面波导馈电结构，Lg的取值范围为15.00mm～17.00mm，50欧姆端口馈电传输线与圆环天线单元1中矩形结构1d的宽度Wg一样，与同平面的两侧地板间距离为S，S的取值范围为0.25mm～0.35mm，共面波导馈电单元2和圆环天线单元1中外圆环贴片1a在直角坐标系Y轴方向的最短距离为g，g的取值范围为1.40mm～1.60mm。
共面波导馈电单元部分将接收到的准TEM波，通过中间的导带传输线传入天线辐射部分，地板(图1(a)中所示为2a)与导带传输线(图1(a)中所示为2b)之间的距离S和导带传输线宽度Wg会起到阻抗调节的作用。改变S或Wg值的大小会影响共勉波导的有效介电常数，而有效介电常数又与共面波导的特性阻抗成反比，选择合适的S和Wg值的大小使特性阻抗与输入阻抗达到匹配，S的取值范围为0.25mm～0.35mm，Wg的取值范围为1.80mm～2.00mm。共面波导馈电结构容易制作，容易实现无源、有源器件在微波电路中的串联和并联，不需要在介质基板上穿孔，容易提高电路密度。
圆环天线单元1和共面波导馈电单元2印刷在矩形介质基板3同一侧上，矩形介质基板3采用相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02，厚度为h的聚四氟乙烯材料，h的取值范围为1.50mm～1.70mm，介质基板3的尺寸为L*W，L的取值范围为36mm～40mm，W的取值范围为22mm～24mm。介质基板材料特性较好，便于加工，生产成本较低。
用电磁仿真软件HFSS对天线模型进行仿真优化，确定尺寸参数，得到天线的回波损耗曲线。图2为天线的仿真回波损耗图，图3(a)为单极子天线2.5GHz时XOZ和YOZ平面辐射方向图，图3(b)为单极子天线3.4GHz时XOZ和YOZ平面辐射方向图，图3(c)为单极子天线5.6GHz时XOZ和YOZ平面辐射方向图。从这些图中可以验证本发明的可实施性。本发明采用嵌套结构的辐射单元，能够实现在2.5/3.4/5.6GHz三个频段内回波损耗低于-10dB。2.5GHz频段的工作带宽为2.32GHz-2.58GHz,相对带宽为10.4％；3.4GHz频段的工作带宽为3.08GHz-5.02GHz,相对带宽为57.1％；5.6GHz频段的工作带宽为5.32GHz-6.10GHz,相对带宽为13.9％，满足天线要求。可以看出，本发明设计的单极子天线具有多频的特性，并且此天线在实用度较高的WLAN/WIMAX频段内辐射特性很好，在YOZ平面内呈现出全向特性。
本发明设计的天线具有稳定的辐射方向图。如图3(a)、图3(b)、图3(c)可以看出，在三个频段内方向图特性都呈现单极子天线的显著特性，YOZ平面为全向型，XOZ平面为“8”字型。

Claims (1)

1.一种应用于WLAN/WIMAX的三频共面波导馈电天线，包括圆环天线单元(1)，共面波导馈电单元(2)和介质基板(3)，其特征在于：
所述的圆环天线单元(1)由一个外半径为R1内半径为R2的金属外圆环贴片(1a)，一个外半径为R3内半径为R4的金属内圆环贴片(1b)，一个半径为R5的金属圆盘(1c)及宽度为Wg的矩形结构(1d)组合而成，内圆环贴片(1b)和圆盘(1c)的中心重合于直角坐标系原点，外圆环的中心相对坐标原点沿着Y轴正方向偏移1.90mm～2.10mm；
共面波导馈电单元(2)为长度为Lg的无地板共面波导馈电结构，Lg的取值范围为15.00mm～17.00mm，50欧姆端口馈电传输线与圆环天线单元(1)中矩形结构(1d)的宽度Wg一样，与同平面的两侧地板间距离为S，S的取值范围为0.25mm～0.35mm，共面波导馈电单元(2)和圆环天线单元(1)中外圆环贴片(1a)在直角坐标系Y轴方向的最短距离为g，g的取值范围为1.40mm～1.60mm；
圆环天线单元(1)和共面波导馈电单元(2)印刷在矩形介质基板(3)同一侧上，矩形介质基板(3)采用相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02，厚度为h的聚四氟乙烯材料，h的取值范围为1.50mm～1.70mm，介质基板(3)的尺寸为L*W，L的取值范围为36mm～40mm，W的取值范围为22mm～24mm。
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